新型磁通切换电机原理和特性分析

郭春景

(焦作大学，焦作454000)

0 引 言

磁通切换电机的永磁体可以内嵌于定子中，具有聚磁效应，现有拓扑结构的磁通切换电机的电枢绕组和永磁体一般同时放置在定子侧，使得电机的冷却比较方便，其铜耗也比较低[1-3]。与此同时，其转矩和功率密度可以与传统表贴式永磁电机相媲美。因此，磁通切换电机在近些年得到广泛的关注。关于磁通切换电机新型的拓扑结构在不断报道，其应用领域也在不断的拓展[4-7]。

在传统磁通切换电机的研究中，漏磁的研究一直是学者们关注的焦点。除了定子齿和转子齿之间的漏磁外，电机的端部以及外定子侧区域也存在漏磁。定子齿和转子齿之间的漏磁可以通过齿形优化的方法减小；对于双凸极电机而言，端部的漏磁也是不可避免的，但对于外定子侧漏磁的优化则鲜有研究，目前还没有相关报道。

为了减小外定子侧的漏磁，更大程度上充分利用永磁材料，本文提出了一种新型的磁通切换电机的拓扑结构。在传统径向磁通切换电机的基础上，引入径向充磁的永磁体，可以减小外定子轭侧的漏磁，同时增加绕组中匝链的永磁磁链，从而提高电机的输出转矩和功率密度。

1 拓扑结构

内嵌有径向充磁永磁体的新型磁通切换电机的拓扑结构如图1所示。本文研究的对象为12/10极磁通切换电机。电机在普通径向磁通切换电机的基础上，在“U”形定子轭外侧放置有沿径向充磁的永磁体，并将永磁体贴于环形定子轭的内表面。沿径向充磁的每极永磁体与其相邻的2个沿环形充磁的永磁体构成“U”形，且每个由永磁体构成的“U”形，其永磁体的充磁方向均沿着“U”形内侧或均沿着“U”形外侧。主要的结构参数如图2所示。参考传统磁通切换电机的设计数据，电机的初始尺寸数据如表1所示。

图1 电机拓扑结构

图2 电机定转子二维尺寸图

表1 电机初始尺寸参数

2 原理分析

在没有径向充磁永磁体时，电机为传统径向结构的磁通切换电机，其定子及定子中的磁路如图3(a)所示。环形充磁的永磁体提供主磁通，由于漏磁的存在，使得电枢绕组匝链的主磁通减少，其感应电动势也会相应减弱。本文所提的内嵌有径向充磁永磁体的磁通切换电机的定子及定子中的磁路如图3(b)所示。由于径向永磁体的存在，使得定子外侧的漏磁减少，使环形充磁的永磁体得以充分利用；同时径向永磁体的存在也增加了图3(b)中的辅助磁路，进而“U”形定子齿中与电枢绕组匝链的磁链增加。

(a) 不带径向充磁永磁体的定子磁路

(b) 带径向充磁永磁体的定子磁路

3 有限元分析

3.1 气隙磁密

图4是新型磁通切换电机的气隙磁密波形，是径向充磁永磁体和环形充磁永磁体共同作用的结果。由于电机的定子和转子都是凸极结构，所以磁密波形不规则，谐波较大。在θr=0°时，转子凸极分别与环形永磁体正对。按图1中A相绕组的排列方式，磁密波形中第一个最大值对应着线圈A2(A4)，第二个最大值出现的位置滞后90°的机械角度，对应着线圈A1(A3)。在转子逆时针旋转18°后，此时磁密波形中第一个负向最大值对应着线圈A1(A3)，第二个负向最大值出现的位置对应着线圈A2(A4)。随着转子位置的变化，线圈的磁通随着正负交替变化，也就实现了磁通切换。

(a) θr=0°

(b) θr=18°

3.2 永磁磁链

在环形充磁永磁体和径向充磁永磁体单独作用时，永磁体与A相绕组匝链的磁链如图5所示。径向永磁体单独作用时，磁链的正弦性较差；其与环形永磁体共同作用时，磁链具有很好的正弦性。2种永磁体共同作用时A相绕组的磁链略小于2种永磁体单独作用时A相绕组的磁链之和。其主要原因是径向永磁体的引入加剧了“U”形定子的饱和程度。

图5 环形永磁和径向永磁磁链之和

在环形充磁永磁体和径向充磁永磁体共同作用时，A相绕组的磁链如图6所示。由图6可以发现，线圈A1和A3的磁链之和A13与线圈A2和A4的磁链之和A24的最大值并不在同一个转子位置，这与传统磁通切换电机的磁链有所区别。主要原因是径向充磁永磁体的作用使磁通在定子轭中发生偏移，导致永磁磁链的最大值出现的位置发生偏移。尽管如此，A相的永磁磁链依旧具有很好的正弦性。三相永磁磁链如图7所示。图7说明三相永磁磁链的幅值和相位具有很好的对称性，意味着本文所提出的磁通切换电机具有良好的对称性。

图6 A相的永磁磁链

图7 三相永磁磁链 3.3 空载反电动势

在环形充磁永磁体和径向充磁永磁体单独作用时，A相空载反电动势如图8所示。2种永磁体共同作用时A相反电动势幅值略小于2种永磁体单独作用时A相反电动势之和，与图5中磁链波形类似。三相反电动势如图9所示。反电动势的正弦度较低，其主要原因是径向永磁体的引入降低了反电动势的正弦度。因此，径向充磁永磁体的引入磁通切换电机，对反电动势带来一定的负面影响，也是后续研究需要进一步关注的地方。

图8 环形充磁永磁体和径向

图9 三相反电动势

4 结 语

本文提出了一种内嵌有径向充磁永磁体的磁通切换电机，研究了其拓扑结构的特征，并结合有限元计算方法对气隙磁密、磁链和反电动势进行分析。形成如下结论：1)新型拓扑结构的磁通切换电机的绕组结构依然具有一致性和互补性；2)径向永磁体的存在，增加了匝链磁链，同时也会引起定子铁心的饱和，使其对磁链和反电动势的贡献与永磁用量并不呈线性关系。3)径向永磁体的存在会对反电动势的正弦度带来负面影响，如何提高反电动势的正弦度是这种拓扑结构电机的研究方向之一。

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